眼下,盡管風力發電機、太陽能光伏等新能源設施在生活中已越來越常見,但中國三分之二的社會用電量仍來自于會帶來大量碳排放的煤電。

為了優化國家能源結構,加速發展新能源,各級政府紛紛以儲能為抓手推進建設新型能源體系,許多政策和資源都向發展長時儲能傾斜。在各種長時儲能技術路徑中,液流電池憑借本征安全、度電成本低、靈活易部署等優勢脫穎而出,進入到產業化發展的新階段。

發展新能源需引進儲能做幫手

發展新能源,必須引進儲能,這是由新能源間歇性、波動性、隨機性等特點決定的。

以光伏發電來說,不同的時段,不同的季節,不同的天氣,光照強度不一樣,光伏電池的輸出電壓和電流也會出現相應變化。對于電網來說,光伏發電并不是越多越好。在正午、盛夏等強光照條件下,光伏輸出的電壓如果大幅超過電網的可接受能力,可能會造成電網阻塞,影響正常供電。

同樣,新能源發電量不足,也會沖擊電網安全。以風力發電為例,風的速度、方向,時刻都會發生變化,一旦天氣在較短的時間內由大風轉為小風、甚至靜風,而其他的電源又無法補充上來,就會給電網穩定運行帶來困難,甚至造成電網癱瘓。

因此,發展新能源,需要引進儲能來做幫手。在發電量高于用電需求時,將多余的電量儲存起來備用;當新能源發電不足時,再將先前儲存的電量補充輸送進電網。通過這種削峰填谷的操作,來保障電網的運行安全。這樣既能平衡電力負荷,有效緩解因新能源發電不穩定造成的影響供電安全的問題,保障電網正常運行,還能“削峰填谷”,在不同時段內合理調配資源,滿足社會用電需求,減少損失浪費。

4小時以上長時儲能成為新能源“標配”

目前,可投入商用的儲能技術非常多,儲能時間也有長有短。對于新能源電站來說,只有配置4小時及以上的長時儲能產品,才能真正起到平衡電力負荷與削峰填谷的作用。

根據2022年,全國光伏電站平均利用1452小時,全國風力電站平均利用2259小時計算,每天的工作時長分別為4小時和6.2小時。如果電站配備的是2小時以內的中短時儲能,依舊無法保護電網免受因新能源發電不穩定所帶來的沖擊。

另外,短時儲能無法有效填補一天內的用電峰谷缺口。我國用電峰谷平時間段的劃分如下: 高峰時段08:30-11:30 & 18:00-23:00;平時段07:00-08:30 & 11:30-18:00;低谷時段23:00-7:00。當高比例使用新能源發電時,如果儲能時長不足,會出現白天光照和風能充足時,電池很快充滿,無法繼續充電;到了早晚用電需求高峰時,電池又很快用盡,無法補能的尷尬。

為此,各地政府先后出臺了一系列相關政策,要求新能源項目配套建設4小時以上的新型儲能設施。

2023年7月,山東省出臺《關于支持長時儲能試點應用的若干措施》,要求試點項目規模不低于10萬千瓦,滿功率放電時長不低于4小時,這是國內首個支持長時儲能發展的地方性專項政策,長時儲能可享受優先接入電網、優先租賃、容量補償標準提高、減免輸配電價等優惠政策。

同月,內蒙古自治區出臺《關于加快新能源產業發展的提案》,要求市場化的新能源項目按照裝機容量的15%,配置時長4小時以上的儲能設施。

根據這些政策內容,可以明確看出政府對儲能行業的重視程度,并正在采取各種措施來解決日內平衡調節的問題。未來,儲能技術的應用將進一步擴大,用于解決日以上甚至跨周、跨月的調節。可以預見,長時儲能技術在能源領域的應用將越來越廣泛,為我國能源結構的優化和清潔能源的發展提供強有力的支持。

儲能路徑百花齊放,誰將突出重圍?

目前在儲能市場應用最多的鋰離子電池因其壽命有限且自放電率較高,長時間存儲將加速電池老化,只適合2小時以內的中短時儲能場景,無法滿足長時儲能的需求。

在結構層面,鋰離子電池將功率輸出與能量儲存裝置緊密結合。如果要增加儲能時長,就要等比例增加電池成本。因此,4小時儲能系統的電池成本相當于1小時儲能系統成本的4倍。鋰離子電池在長時儲能領域并不具備經濟性。

圖:鋰電池與液流電池的投資成本示意

在長時儲能的各種技術路徑中,抽水蓄能已處于大規模商用階段,具有裝機容量大、放電時間及使用壽命長、能量轉換效率較高等優勢,但也存在選址受限、建設周期長達8-10年等劣勢。

壓縮空氣儲能雖然單機容量大、儲能時間及使用壽命長,但是存在壓縮過程放熱損失能量、選址局限于高氣密性空間(如巖穴、廢棄礦井等)、建設周期較長(2年左右)等問題。

那么,有沒有一種長時儲能技術,既能像抽水蓄能和壓縮空氣儲能一樣實現長時,又能克服選址難、建設周期長的劣勢呢?

南方科技大學碳中和能源研究院院長趙天壽分析稱,長時儲能技術包含最關鍵的兩個要素,首先能量載體可以流動,同時要有相應的能量轉換裝置,實現容量和功率解耦。液流電池就是滿足這兩個條件的優質之選。

圖:液流電池運行原理

液流電池是一種新型的電力系統儲能技術,它通過將電能轉化為化學能并存儲在液態電解質中,然后在需要時將化學能重新轉化為電能進行釋放。這種技術路徑最適合長時儲能,因為它具有本征安全、4小時以上儲能時長、度電成本低等特點。液流電池的儲能容量可以根據需要進行調整,具有建設周期短(3-6個月)、靈活易部署的特點,因此它非常適合用于大規模儲能系統,如新能源并網等應用場景。隨著技術的不斷進步和成本的降低,液流電池在未來電力系統中的應用前景將更加廣闊。

液流電池優勢凸顯,獲國家與市場雙重認可

目前我國液流電池主要有全釩液流電池、鋅鐵液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等技術路線。其中,全釩液流電池是國內商業化較早的路線之一。

聚焦全釩液流電池的大連融科儲能技術發展有限公司總經理王曉麗談到,具備長壽命、高安全的液流電池主導的場景將彌補鋰電池的安全、長時缺陷。比如,在高安全的情況下,城市復合中心、地下儲能、人群密集的區域,適合液流電池;基于長壽命特征,液流電池適合于做大規模型、基礎設施型的建設。

鋅鐵液流電池作為后起之秀,具有原料供給量大、價格低的優勢,近年來發展迅速。緯景儲能的鋅鐵液流電池具備本征安全、度電成本低、4～8小時儲能、大規模量產、壽命長、易部署、建設周期短、環境友好等特性,正在通過技術迭代與規模化量產來逐步降低液流電池的儲能度電成本,提升新能源的經濟性。

作為長時儲能代表,液流電池還得到了國家權威部門的高度認可。在國家能源局發布的《第三批能源領域首臺(套)重大技術裝備(項目)名單》中,緯景儲能研發并生產的“鋅鐵液流新型儲能電池”和巨安儲能的“鐵基液流儲能系統”均被列入其中。

圖:第三批能源領域首臺(套)重大技術裝備(項目)名單——新型儲能

2023年,液流電池取得了突破性進展,首個吉瓦時級別項目集采開標、首個吉瓦級產能工廠投產等事件,為整個儲能行業帶來了發展的曙光。中核匯能、中國電建市政公司、國家電投相繼開啟GWh液流電池項目招標,對液流電池進行大規模集采,儲能市場格局發生明顯變化,已從“一鋰獨大”轉變為“百花齊放”。